化合物半導(dǎo)體磊晶廠的未來發(fā)展及展望

傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體因自身發(fā)展局限和摩爾定律限制，需尋找下一世代半導(dǎo)體材料，而化合物半導(dǎo)體材料的高電子遷移率、直接能隙與寬能帶等特性，恰好符合未來半導(dǎo)體發(fā)展所需，終端產(chǎn)品趨勢將由5G通訊、車用電子與光通訊領(lǐng)域等應(yīng)用主導(dǎo)。

化合物半導(dǎo)體市場分析

根據(jù)現(xiàn)行化合物半導(dǎo)體元件供應(yīng)鏈，元件制程最初步驟由晶圓制造商選擇適當(dāng)特性的基板（Substrate），以硅、鍺與砷化鎵等材料作為半導(dǎo)體元件制程的基板，基板決定后再由磊晶廠依不同元件的功能需求，于基板上長成數(shù)層化合物半導(dǎo)體的磊晶層，磊晶層成長完成后，再透過IDM廠或IC設(shè)計、制造與封裝等步驟，完成整體元件的制造流程，最終由終端產(chǎn)品廠商組裝和配置元件線路，生產(chǎn)手機與汽車等智慧應(yīng)用產(chǎn)品。

化合物半導(dǎo)體于終端市場應(yīng)用

元件產(chǎn)品依循化合物半導(dǎo)體材料特性（如耐高溫、抗高電壓、抗輻射與可發(fā)光）加以開發(fā)，將終端市場分為5個領(lǐng)域：電源控制（Power Control）、無線通訊（Wireless）、紅外線（Infrared）、太陽能（Solar）與光通訊（Photonics）。

以電源控制為例，由于氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）等材料有不錯的耐高電壓和高頻特性，因此適合用于制造功率因素校正（Power Factor Correction，PFC）和高壓功率放大器（High Voltage Power Amplifier，HVPA）等高功率元件，是現(xiàn)階段支撐化合物半導(dǎo)體電源控制領(lǐng)域的重要指標(biāo)。

在太陽能和光通訊方面，由于砷化鎵（GaAs）材料具備較佳的能源轉(zhuǎn)換率，以及適合接收來自紅光和紅外光等波段訊號，因此適合開發(fā)太陽能電池（Photovoltaics）和光偵測器（Photonic Detection）等應(yīng)用場域。

近年手機通訊領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，帶動無線模塊關(guān)鍵零組件濾波器（Filter）、開關(guān)元件（Switch）與功率放大器（Power Amplifier）等元件需求成長；而砷化鎵材料因具有低噪聲、低耗電、高頻與高效率等特點，已廣泛應(yīng)用于手機通訊并占有重要地位，帶動砷化鎵磊晶需求逐年提升。

在國防領(lǐng)域，現(xiàn)階段對紅外光的需求（如紅外光熱影像和高功能夜視鏡）以中、長波長紅外光（LWIR、MWIR）等軍事領(lǐng)域為主，同樣帶動砷化鎵磊晶需求。在生物和醫(yī)療領(lǐng)域，由磷化銦（InP）材料作為雷射光源的關(guān)鍵核心，使得相關(guān)磊晶需求看漲。整體而言，將化合物半導(dǎo)體多元的材料特性應(yīng)用于相關(guān)元件領(lǐng)域中，可產(chǎn)生許多新的可能性，帶動磊晶產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

化合物半導(dǎo)體磊晶廠現(xiàn)況

現(xiàn)行化合物半導(dǎo)體商用磊晶制程技術(shù)，大致可分成MOCVD（有機金屬氣相沉積法）和MBE（分子束磊晶技術(shù)），若以成長技術(shù)而論，MOCVD成長條件由氣相方法進行，透過氫氣（H2）或氮氣（N2）等特定載氣（Carrier Gas）引導(dǎo)，使三族（III A）和五族（V A）氣體均勻混合后，再導(dǎo)入反應(yīng)腔體中，接著透過適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度（400～800度），讓氣體裂解并成長于基板上。MBE成長條件則透過元素加熱方式，借由超高真空環(huán)境的腔體，將所需磊晶元素加熱升華形成分子束，當(dāng)分子束接觸基板后，就可形成所需磊晶結(jié)構(gòu)。

若以量產(chǎn)速率分析MOCVD和MBE磊晶設(shè)備的優(yōu)缺點，MOCVD為氣相方式導(dǎo)入反應(yīng)腔體，其速度較MBE快1.5倍（MBE需時間加熱形成分子束）；但以磊晶質(zhì)量來說，由于MBE可精準(zhǔn)控制分子束磊晶成長，因此相較MOCVD有較佳結(jié)果。

觀察現(xiàn)行磊晶廠發(fā)展趨勢，雖MBE所需成本較高且速度較慢，但符合國防和光通訊領(lǐng)域等高精密元件產(chǎn)品需求。目前化合物半導(dǎo)體的IDM廠，大多選擇以MBE磊晶設(shè)備為成長方式，除了IDM廠外，磊晶代工廠英商IQE和IET，亦選用MBE作為廠內(nèi)磊晶設(shè)備。

另一方面，由于MOCVD采用氣相成長方式，可快速且大范圍進行磊晶成長，雖然其磊晶質(zhì)量稍不如MBE，但對需要大量、大面積磊晶成長的元件產(chǎn)品有吸引性，例如太陽能電池元件等。目前全球化合物半導(dǎo)體磊晶廠中，主要有6成廠商選擇可大范圍成長的MOCVD機臺；另外4成則選擇高精密性的MBE設(shè)備。

根據(jù)2018年全球化合物磊晶廠預(yù)估營收占比可知，全球化合物半導(dǎo)體磊晶產(chǎn)業(yè)營收已超過4.9億美元，且英商IQE營收占整體比例約44%，與2016年營收維持相同比例，穩(wěn)居磊晶龍頭寶座；排名第二的聯(lián)亞，2018年預(yù)估占比依然維持在16%（同2016年）。此外，全新光電營收占比，由2017年17%降至2018年預(yù)估的14%；全球MBE磊晶第二大廠IET（英特磊）營收，則由2017年7%降至2018年預(yù)估的5%，其衰退原因與中美貿(mào)易戰(zhàn)和全球手機銷售不如預(yù)期有關(guān)，使得市占率小幅衰退。

化合物半導(dǎo)體磊晶廠未來發(fā)展

針對化合物半導(dǎo)體未來的終端市場需求，依照不同元件特性可分為傳輸和無線通訊的5G芯片、耐高溫與抗高電壓的車用芯片，以及可接收和回傳訊號的光通訊芯片三大領(lǐng)域。借由5G芯片、車用芯片與光通訊芯片的元件開發(fā)，將帶動未來磊晶廠營收和資本支出，確立未來投資方向。

終端市場未來走向

由化合物半導(dǎo)體發(fā)展趨勢可知，未來元件需求將以高速、高頻與高功率等特性，連結(jié)5G通訊、車用電子與光通訊領(lǐng)域的應(yīng)用，突破硅半導(dǎo)體摩爾定律限制。

▲未來磊晶廠終端產(chǎn)品趨勢

硅半導(dǎo)體元件因受限于電子遷移率（Electron Mobility）、發(fā)光效率與環(huán)境溫度等限制，難以滿足元件特性需求，因此當(dāng)化合物半導(dǎo)體出現(xiàn)，其高電子遷移率、直接能隙與寬能帶等特性，為元件發(fā)展的未來性提供新契機。隨著科技發(fā)展，化合物半導(dǎo)體的元件制程技術(shù)亦趨成熟，傳統(tǒng)硅半導(dǎo)體的薄膜、曝光、顯影與蝕刻制程步驟，皆已成功轉(zhuǎn)置到化合物半導(dǎo)體上，有助于后續(xù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展。

關(guān)于無線通訊領(lǐng)域的未來發(fā)展，現(xiàn)行廠商已逐漸由原先4G設(shè)備更新至5G基礎(chǔ)建設(shè)，5G基地臺的布建密度將更甚4G，且基地臺內(nèi)部使用的功率元件，將由寬能帶氮化鎵功率元件取代DMOS（雙重擴散金氧半場效晶體管）元件。在基地臺建置部分，目前已集中在IDM廠（如Qorvo、Cree與日本住友電工），且各代工大廠相繼投入，導(dǎo)致市場競爭激烈；此外，中國廠商原先欲借由并購國外大廠進入氮化鎵代工市場，卻因國防安全為由受阻，因此現(xiàn)階段中國廠商對氮化鎵基地臺的發(fā)展受限。

為提升無線通訊質(zhì)量，5G通訊市場將以較小功率消耗和較佳電子元件等特性為目標(biāo)而努力，因此選擇砷化鎵和磷化銦等化合物半導(dǎo)體材料，作為PA（功率放大器）和LNA（低噪音放大器）等射頻元件（Radio Frequency，RF）。

整體而言，由于砷化鎵射頻元件市場多由IDM廠（如Skyworks、Qorvo與Broadcom）把持，因此只有當(dāng)需求超過IDM廠負荷時，才會將訂單發(fā)包給其他元件代工廠，對其他欲投入元件代工的廠商而言則更困難。由于中國手機市場對射頻元件的國內(nèi)需求增加，且預(yù)期5G手機滲透率將提升，或許中國代工廠商的射頻制程技術(shù)提升后，可趁勢打入砷化鎵代工供應(yīng)鏈，提高射頻元件市占率。

在車用芯片部分，由于使用環(huán)境要求（需于高溫、高頻與高功率下操作），并配合汽車電路上的電感和電容等，使得車用元件體積較普通元件尺寸占比大，透過化合物半導(dǎo)體中，寬能帶半導(dǎo)體材料氮化鎵和碳化硅等特性，將有助實現(xiàn)縮小車用元件尺寸。

借由氮化鎵和碳化硅取代硅半導(dǎo)體，減少車用元件切換時的耗能已逐漸成為可能。以氮化鎵和碳化硅材料作為車用功率元件時，由于寬能帶材料特性，可大幅縮減周圍電路體積，達到模塊輕量化效果，且氮化鎵和碳化硅較硅半導(dǎo)體有不錯的散熱特性，可減少散熱系統(tǒng)模塊，進一步朝車用輕量化目標(biāo)邁進。

此外，車用芯片對光達（LiDAR）傳感器的應(yīng)用也很重要，為了實現(xiàn)自動駕駛汽車或無人車技術(shù)，先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中的光達傳感器不可或缺，透過氮化鎵和砷化鎵磊晶材料滿足其元件特性，作為光達傳感器所需。

在光通訊芯片領(lǐng)域方面，為了解決金屬導(dǎo)線傳遞訊號的限制和瓶頸，因而開發(fā)以雷射光在光纖中作為傳遞源的概念，突破原先電子透過金屬纜線下容易發(fā)生電阻和電容時間延遲（RC Delay）現(xiàn)象，且借由雷射光快速傳遞和訊號不易衰退特性，使得硅光子技術(shù)（Silicon Photonics）逐漸受到重視。

由于光通訊芯片對光收發(fā)模塊的需要，PD（光偵測器）與LD（雷射偵測器）等模塊需求上升，帶動砷化鎵與磷化銦磊晶市場。此外，近年手機搭配3D感測應(yīng)用有明顯成長趨勢，帶動VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）元件需求增加，砷化鎵磊晶也逐步升溫，未來3D感測用的光通訊芯片，其應(yīng)用范圍除了手機，亦將擴充至眼球追蹤技術(shù)、安防領(lǐng)域（Security）、虛擬實境（VR）與近接識別等領(lǐng)域。

磊晶廠未來展望

雖然2018年手機銷售量相較2017年略為衰退，且2019年手機銷售量將趨于保守，但近年因Apple手機的3D感測技術(shù)受到重視，帶動非Apple陣營加速導(dǎo)入3D感測市場，促使VCSEL需求增溫，對光通訊領(lǐng)域的元件需求有增加趨勢，帶動2018年部分磊晶廠資本支出成長。

2019年手機銷售量可能下滑和5G手機預(yù)估滲透率偏低等情形，將影響手機元件市場（如PA和LNA）與磊晶廠營收表現(xiàn)，現(xiàn)階段5G通訊領(lǐng)域還有待電信營運商的基地臺建置和開發(fā)市場，2019年營收成長有限，將連帶影響磊晶廠部分營收。

車用芯片由于使用環(huán)境較為嚴苛與需承受高電壓和高溫等條件，多選擇氮化鎵和碳化硅等化合物半導(dǎo)體；而電動車市場未來將持續(xù)小幅成長，帶動車用功率半導(dǎo)體元件需求，進而推升氮化鎵和碳化硅磊晶營收成長。

此外，先進駕駛輔助系統(tǒng)的光達元件需求逐年提升，促使氮化鎵和砷化鎵磊晶需求增溫，整體而言，未來車用化合物芯片的需求將逐步增加，成為磊晶市場持續(xù)成長的主要動能之一。